Ein Team von Wissenschaftlern des Ames National Laboratory und der Texas A&M University hat eine neue Methode zur Vorhersage der Metallduktilität entwickelt. Dieser auf Quantenmechanik basierende Ansatz erfüllt den Bedarf an einer kostengünstigen, effizienten Hochdurchsatzmethode zur Vorhersage der Duktilität. Das Team demonstrierte seine Wirksamkeit an feuerfesten Legierungen mit mehreren Hauptelementen. Dies sind Materialien, die für den Einsatz unter Hochtemperaturbedingungen interessant sind, ihnen fehlt jedoch häufig die notwendige Duktilität für potenzielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in Fusionsreaktoren und landgestützten Turbinen.
Duktilität beschreibt, wie gut ein Material physikalischen Belastungen standhält, ohne zu reißen oder zu brechen. Laut Prashant Singh, Wissenschaftler am Ames Lab und Leiter der theoretischen Designbemühungen, gibt es derzeit keine belastbaren Methoden zur Vorhersage der Metallduktilität. Darüber hinaus sind Versuch-und-Irrtum-Experimente teuer und zeitaufwändig, insbesondere unter extremen Bedingungen.
Eine typische Art, Atome zu modellieren, sind starre, symmetrische Kugeln. Allerdings erklärte Singh, dass in realen Materialien die Atome unterschiedliche Größen und Formen haben. Beim Mischen von Elementen mit unterschiedlich großen Atomen passen sich die Atome kontinuierlich an, um in den festen Raum zu passen. Dieses Verhalten führt zu lokaler atomarer Verzerrung.
Die neue Analyse berücksichtigt lokale Atomverzerrungen bei der Bestimmung, ob ein Material spröde oder duktil ist. Es erweitert auch die Möglichkeiten aktueller Ansätze. „Sie [current approaches] sind nicht sehr effizient bei der Unterscheidung zwischen duktilen und spröden Systemen bei kleinen Zusammensetzungsänderungen. Aber der neue Ansatz kann solche nicht trivialen Details erfassen, weil wir dem Ansatz jetzt ein quantenmechanisches Merkmal hinzugefügt haben, das fehlte“, sagte Singh.
Ein weiterer Vorteil dieser neuen Hochdurchsatz-Testmethode ist ihre Effizienz. Singh erklärte, dass damit Tausende von Materialien schnell getestet werden können. Die Geschwindigkeit und Kapazität ermöglichen es, vorherzusagen, welche Materialkombinationen es wert sind, auf die experimentelle Ebene gebracht zu werden. Dies minimiert den Zeit- und Ressourcenaufwand für die Entdeckung dieser Materialien durch experimentelle Methoden.
Um festzustellen, wie gut ihr Duktilitätstest funktionierte, leitete Gaoyuan Ouyang, ein Ames-Laborwissenschaftler, die experimentellen Bemühungen des Teams. Sie führten Validierungstests an einer Reihe vorhergesagter feuerfester Multi-Hauptelement-Legierungen (RMPEAs) durch. RMPEAs sind Materialien, die das Potenzial für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen haben, beispielsweise in Antriebssystemen für die Luft- und Raumfahrt, Kernreaktoren, Turbinen und anderen Energieanwendungen.
Durch ihre Validierungstests stellte das Team fest, dass „die vorhergesagten duktilen Metalle unter hoher Belastung eine erhebliche Verformung erfuhren, während das spröde Metall unter ähnlichen Belastungen riss, was die Robustheit der neuen quantenmechanischen Methode bestätigt“, sagte Ouyang.
Die Ergebnisse werden in der Veröffentlichung „A ductility metric for refractory-based multi-principal-element Alloys“ veröffentlicht Acta Materialia.
Mehr Informationen:
Prashant Singh et al., Eine Duktilitätsmetrik für feuerfeste Legierungen mit mehreren Hauptelementen, Acta Materialia (2023). DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119104